何芝洲 樊亚鸣 陈国术 刘浩怀 艾小红 陈怡莎
【摘要】芳环上取代基的定位效应是芳烃一章教学中的重点和难点之一。本文结合多年的教学实践和探索，总结出一套简便判断取代基定位效应的方法，即通过分析取代基与芳环直接相连原子的正负性来判断取代基的定位效应。运用该方法,学生能轻松掌握芳烃取代基的定位规律，教学效果显著。
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关键词 芳环；亲电取代；定位效应；教学探索
Teaching Exploration for Orientation Effect of Substituents on Aromatic Ring
HE Zhi-zhou FAN Ya－ｍing CHEN Guo－ｓhu LIU Hao－huai AI Xiao－ｈong Chen Yi－ｓha
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou Guangdong 510006, China)
【Abstract】The orientation effect of substituents on aryl ring is one of teaching emphasis and difficulty in aromatic hydrocarbon chapter. In this paper, an easy way was put forward to judge the orientation effect of substituents. Firstly, to analyze the positive/negative of the carbon directly connected to aromatic ring, and then confirm the positive/negative of each carbon on aromatic ring according to the charge principle of similar poles repel and opposite poles attract. Using this way, the student can easily understand the orientation rules t of substituents.
【Key words】Aromatic ring; Electrophilic substitution; Orientation effect; Teaching exploration
芳烃的亲电取代反应是有机化学教学的一个重要内容，是在学习了烯烃的亲电加成反应后接触到的又一重要的有机反应类型。学习了烯烃的亲电加成反应后，学生对本章的亲电取代反应机理比较容易理解，但对取代基的定位效应却难以理解和掌握。在现有的各种有机化学教材[1-2]和参考资料[3-4]中对该知识点都是从电子效应、空间效应和中间体的稳定性等方面进行阐述。学生在学习过程中，往往一团雾水，基本上是通过死记硬背来记住各种基团的定位规律，时间一长很容易忘记，且在遇上没有见过的基团时，更是一片茫然。笔者在多年教学实践和探索中，总结出了一套比较简便易掌握的判断基团定位效应的方法，即通过分析取代基中与苯环直接相连原子的正负性来判断基团的定位效应。
在具体的教学中，笔者采用比喻、对比等教学方法，通过分析芳烃的结构特征，从学生所熟悉的知识点出发，引导、鼓励学生一步步分析问题，得出结论。
1 芳环的结构特征（以苯为例）
在学习芳烃亲电取代反应这一章内容前，学生已学习了“不饱和烃”章节的内容，对碳原子的SP2杂化、π键、大π键、亲电试剂等知识点有了一定的认识和理解。因此，在教学中通过分析苯环碳原子的SP2杂化形式和6个碳原子间离域大π键的形成，引导学生分析、认识苯环的结构特征。并采用多媒体，让学生直观看到苯环大π键的形成过程及其大π键电子云分布状况，同时与已学过的1,3-丁二烯分子中的大π键进行比较。在此，学生很容易理解苯环上具有丰富的电子，相当于一个负电中心体，可以将苯环想象成一个“负离子”，故而，苯环易于“吸引”带正电性的亲电试剂发生亲电反应。从而引导学生设想：苯环是否像烯烃一样发生亲电的加成反应呢？进而引导学生将苯环的大π键想象成六个同学手挽手围城的一个“圈”，1,3-丁二烯的大π键看成4个学生手拉手站成的一个“排”，启发学生思考：另外的同学是将“手挽手围城的圈”破坏加入其中容易呢，还是将“手拉手形成的排”破坏容易？通过这种形象的比喻，学生很容易理解苯环容易受到亲电试剂的进攻发生亲电的取代反应，而不易发生亲电的加成反应。
2 取代基的定位效应
对于苯环上取代基定位效应的内容，在教学中紧扣亲电反应的本质，以学生熟悉的电荷同性相斥，异性相吸知识点为核心，引导学生分析苯环上已有取代基对苯环碳原子电荷的影响，从而确定取代苯发生亲电反应时新引入基团的取代位置。
2.1 邻对位定位基——第一类定位基团
在教学中首先引导学生根据原子的电负性分析羟基（-OH）的电荷分布情况。氧原子的电负性大于氢原子的，使得O-H键之间的电子云向氧原子偏移，因而氧原子显示一定的负电性，相当于负离子（图1a）。当-OH取代苯环上的一个氢后，苯环上各个碳原子的电荷会发生变化，根据同性相斥，异性相吸的电荷原理，苯环上直接与-OH相连的C原子应带有正电性，从而苯环的邻、对位碳原子应显负电性，间位碳原子显正电性（图1b）。苯酚在发生亲电取代时，同样地，根据电荷同性相斥，异性相吸的本质，带正电性的亲电试剂更容易与苯环上显负电性的邻、对位的碳结合，发生邻对位的亲电取代反应（图2）。因此，-OH为邻对位定位基，属于第一类定位基团。
进一步地，鼓励学生们一起讨论分析-CH3、-N（CH3）2等课本[2]中罗列出的第一类定位基团的电荷分布情况，找寻第一类定位基电荷分布的共性。教学中，学生们很有激情地参与讨论分析，并总结归纳出第一类定位基的电荷分布共性：直接与苯环相连的原子都显负电性。但是对于单原子的卤素基团（-X），学生们很难理解为何他们也是第一类定位基。在此，引导学生分析卤素原子的核外电子排列，明白-X基团具有孤电子对，是“富电子”的基团，也相当于是具有负电性。最终，归纳得出第一类定位基团的电荷分布的共同特征。
2.2 间位定位基——第二类定位基团
对于间位定位基，学生在学会分析第一类定位基团电荷分布的共性后，同理分析该类基团的电荷分布共性，得出第二类定位基的共性，即直接与苯环相连的原子均显正电性。如-COOH和-NO2，O原子的电负性比C原子和N原子的电负性都大，故C-O键和N-O键之间的电子云均向氧原子偏移，使C和N都显示一定的正电性。当这些基团取代苯环上的一个氢后，根据同性相斥，异性相吸的电荷本质，苯环碳原子的电荷分布如图1c所示，故亲电试剂更容易与显负电性的间位碳原子结合，主要获得间位取代产物。
由此，学生对芳环上取代基的定位效应有了比较清晰的认知和理解，不必再去死记硬背取代基的定位规律。
3 结语
原子电荷同性相斥、异性相吸是学生熟悉理解的知识内容，在教学过程中，通过引导学生分析取代基的正负性，将取代基对芳环电荷分布的影响转变成对芳环碳原子的正负性的影响，进而判断出取代基的定位效应，将复杂的问题转化成学生熟悉的知识内容。教学实践证明，采用这种教学方式，学生能轻松地掌握取代基的定位效应，并能融会贯通，收到较好的教学效果。
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参考文献
［1］邢其毅,裴伟伟,徐瑞秋,裴坚.基础有机化学[M].3版.北京:高等教育出版社,2006:470-472.
［2］汪小兰.有机化学[M].4版.北京:高等教育出版社,2011:69-71.
［3］黄婉云.药学生芳环亲电取代反应及定位效应的教学策略[J].兰州文理学院学报:自然科学版,2014,28(6):116-119.
［4］邝代治,张志坚,冯泳兰,张复兴,王剑秋.氨基在苯胺亲电取代反应中的定位效应讨论[J].化学教学,2010,6:6-8.
［责任编辑：杨玉洁］
